论文部分内容阅读
摘要 以景泰红跃村典型次生盐碱地枸杞林为研究对象，基于CENTURY模型模拟枸杞生长过程中表层0～20 cm土壤有机碳库的变化。结果表明，次生盐碱地开垦种植枸杞使得土壤总有机碳发生了显著的变化，呈先增后减的倒“V”型变化趋势。枸杞林土壤有机碳在幼苗生长阶段（1～4 a）快速增加，呈“碳汇”趋势，在成熟阶段土壤总有机碳逐渐降低，随着枸杞生长衰老（8～12 a），土壤有机碳降至开垦前的水平。农田耕作措施、方法决定了土壤有机碳的动态变化。在当前的农田管理措施下，枸杞林地在未来20～30 a内极有可能转变为一个弱的碳排放源。因此，改变农田管理方式、增加有机肥的投入、采用科学灌水设备、及时更新苗木等，对提高枸杞林土壤质量、增加土壤碳储量和减缓温室效应具有重要的现实意义。
关键词 次生盐碱地；枸杞；模拟；土壤有机碳；CENTURY模型
中图分类号 S156.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）13-202-05
Abstract Wolfberry forest， which grows in typical secondary salinealkali land in Hongyue village， Jingtai， was selected as the representative area to analyze dynamics of soil carbon in the top layer of 0～20cm soil during period of wolfberry growth. Based on the simulation of CENTURY model， the results showed that reclamation secondary salinealkali land to plant wolfberry made a significant change in total soil organic. It increased at first and decreased secondly， just like the inverted “V.” The soil organic carbon of wolfberry forest increased rapidly in seeding growth stage（1-4 years） after secondary salinealkali land reclamation. It showed as a trend of carbon sink and then declined gradually to the level of land before reclamation during mature stage（8-12 years）. The measurements of farmland， the method for cultivation played a key role in change of soil organic carbon. The wolfberry forest is likely to be a weak source of carbon emissions in the next 20 to 30 years under the current farmland conditions. Therefore， it is practically significant to change farmland management， increase organic fertilizer input， adopt scientific irrigation equipments， and replace the old seedlings， etc. Thus， it will improve the quality of wolfberry forest soil， increase soil carbon reservation， and reduce the greenhouse effects.
Key words Secondary salinealkali land； Wolfberry forest； Simulation； Soil organic carbon； CENTURY model
土壤有机质模型能够模拟土壤有机质的变化规律，已被广泛用于模拟土壤有机质的动态变化。土壤有机质模拟已经在当前大量的有关气候变化和全球碳循环研究中起到了重要的作用[1-2]，成为更好地理解和管理陆地碳循环的一个重要组成部分。CENTURY模型是应用比较广泛的表征土壤有机质动态的模型。CENTURY模型是美国科罗拉多州立大学的Parton等（1974）于20世纪80年代末建立的，起初用于模拟草地生态系统的C、N、P、S等元素的长期演变过程，以后加以改进，其应用扩展到稀树草原、森林、农业等生态系统中。它主要基于土壤的结构功能，从C、N、P的生物地球化学循环因子入手，结合温度、降水等驱动因子，对生态系统的生产力进行模拟和预测[3-4]。国内外众多学者先后将CENTURY模型应用于农业或林业生态系统中，并对土壤有机碳进行了模拟，其模拟值与实测值具有极高的相关性，并可用于不同的农林业生态系统的模拟研究中[5-9]。
引水灌溉对荒漠、半荒漠区域的农业发展起到了重要的推动作用，但是在不适当的灌溉排水条件下造成了灌区土壤次生盐碱化等生态退化问题[10]。甘肃景泰川灌区由于多年来不合理的大水漫灌、串灌等原因，使得景泰川这个半封闭型盆地的地下水位迅速上升，导致土地次生盐碱化面积逐年增大，土地退化问题尤为严重[11]，给农业生产和人民生活造成严重影响。
从20世纪90年代中期开始，当地根据实际情况采取生物措施对次生盐碱地进行治理，引进枸杞并种植成功，现在已经在景泰川地区大面积的推广种植开来，不光产生了经济效益，也充分地利用和改良了盐碱地。土壤在次生盐渍化过程中，水盐动态平衡被打破，土壤结构改变，土质下降，引起土壤生态退化。在枸杞种植过程中土壤性质会发生变化，对土壤质地会产生一定的影响，进而土壤有机碳也发生相应的变化，但是，其特征变化和演变趋势并不清楚，其变化趨势对土壤质地和区域环境的影响也不清楚，运用模型拟合研究并对土壤碳变化作出分析预测是一个较好的研究方法。因此，利用CENTURY 模型模拟在次生盐渍化改良过程中土壤有机碳的变化特征，研究当前种植枸杞对次生盐碱地的改良作用和土壤碳的动态变化，预测在当前的农业种植模式下土壤碳演变趋势，为次生盐碱地土壤质量、健康评价以及生态治理提供科学依据。 1 材料与方法
1.1 研究区自然概况
红跃村地处景泰县中部，景电一期引黄提灌灌区中心地带，县城以北8 km处，位于景泰县草窝滩镇以东3 km，地势由西南向东北倾斜的微型盆地，海拔1 565 m。气候干燥、干旱少雨、风沙大，年均降水量185 mm，降水年际变化不大，雨水集中在7～9月，年蒸发量3 040 mm，年均气温8.5 ℃，雨热同期，地表水资源较为贫乏，地下水资源矿化度高、水质差。20世纪70～80年代建成的景电一、二期高扬程电力引黄提灌工程是该区主要的水资源[12]。全村现有耕地面积330.7 hm2，约80%的农田耕地为次生盐碱化土地。自2000年以来，该村开始推广引种耐盐碱的经济树种枸杞，取得了良好的经济和生态效益[13]。
1.2 样品采集与分析
应用模型前要经过校正与验证，调整模型参数，反复检验模拟结果，检验模拟值与观测值之间的吻合程度，达到最好的模拟效果。基于调试后的参数，再通过对比分析其他年份的模拟与观测结果进行模型的模拟研究与验证平衡[1，14]。
于2012年、2013年7月中旬进行野外枸杞林地调查采样。采用空间代替时间的方法，分别选择4年生、7年生、12年生枸杞林地采集土样，选择临近的次生盐碱化土地作为对照。土壤采样深度为0～20、20～40 cm，每个地块3次重复。同时，用环刀法取土壤容重，铝盒装少量新鲜土壤用于土壤水分测定。土样带回实验室风干后测定土壤有机质、有机碳、pH、盐分等指标。土壤粒度采用激光粒度分析仪测定。
1.3 CENTURY模型的参数化设置
根据土壤有机质的分解速率，CENTURY模型将土壤总有机碳（TOC）分成了3个碳库，分别是活性、慢性和惰性土壤有机碳库[1，3]。该研究采用CENTURY4.0版本，初始输入数据包括基本的气象数据、土壤质地等（表1）。
模型所运用的1955～2012年气象数据由景泰县气象站提供，由于研究区距离县城10 km，地势平坦，因此可以将此数据直接作为研究區的数据进行模拟运行。CENTURY模型在运行调试过程中需要先设定主要的植被参数，包括植物生长的开始月份、 衰老月份、休眠月份，该研究采用模型中自带的荒漠草地的模拟情景对数据进行设定。在模型运行中部分参数应用模型提供的缺省值。
枸杞在生长过程中所需的农田管理措施是不同的，为了掌握枸杞林的生产和经营方式，在进行野外观测的同时采用农户基线调查方法，在红跃村随机抽取典型农户30户进行访谈式调查，调查内容包括枸杞种植前期土地的基本情况、不同林龄枸杞生长过程中土壤处理、施肥、灌溉等农田管理措施，以及果实收获、处理等近10项内容。
根据当地土地次生盐碱化和人工种植枸杞林的情况，将模型分为A、B、C 3个阶段。阶段A为0～2000年，此时段为模型建立平衡状态的过程，通过参数调整将模型调整到与次生盐碱地相平衡的状态；阶段B、C为种植枸杞时段，其中B是1～4年生枸杞幼苗生长阶段，不修剪，不产出果实，在模拟时不涉及到收获，C是枸杞生长成熟时期，此阶段枸杞生长稳定，每年要进行枝条修剪，枸杞果实量大并进行采摘。为了维持良好的产果量，增加灌水次数，并施用大量的化肥。因此，这两个时段在模拟的过程中对应有不同的农业管理措施（表2）。
2 结果与分析
2.1 模型参数初始化设置及稳态的建立
用CENTURY模型模拟研究土壤变化时首先要进行模型参数的初始化，在参数平衡状态下才能进行真正的模拟运算[1-2]。主要是模拟研究区在自然状态下土壤活性碳库（SOM1C（2））、慢性碳库（SOM2C）、惰性碳库（SOM3C）及土壤总碳库（SOMTC，包含结构性C库和代谢性C库）逐渐积累到稳定平衡阶段。CENTURY模型模拟研究区土壤活性、慢性、惰性有机碳库和总有机碳库从无积累到稳定状态的变化所需时间约为1960 a（图1）。当继续运行到2000 a时，土壤各碳库建立了平衡，达到了试验区土壤碳的水平。此时，活性、慢性和惰性有机碳库分别占总有机碳库的3.28%、68.67%和28.05%。从图1中土壤有机碳的年际变化可看出，土壤总碳库和缓性有机碳库年际变化较大，惰性有机碳库变化稳定，曲线平滑，活性有机碳库年际变化敏感，但是其值较小，所占比例小。研究地为次生盐碱地，植被以盐生植物盐爪爪为主，盖度为8%～15%。2 000 a开垦种植枸杞，未开垦的土地土壤有机碳含量为3 424.67 g/m2，而CENTURY模型在平衡状态下模拟的土壤总有机碳含量为3 386.39 g/m2，两者相差很小，说明CENTURY模型准确模拟了研究区土壤有机碳的动态积累过程。
2.2 模型模拟值与实测值的有效性验证
模型的可靠性测定通常采用多种方法，每种测定方法均有其独到之处[15]。采用均差法测定模拟值与实测值的拟合程度。以0 a（次生盐碱裸地）、4 a、7 a、12 a枸杞林土壤有机碳实测数据与模型模拟数据进行验证。由图2可知，土壤实测值与模拟值具有较好的拟合性，R2达0.947，统计分析t=1.32，双尾检验概率P=0.27>0.05，模拟值与实测值之间差异不显著，说明运用CENTURY模型来模拟次生盐渍化土地有机碳的动态变化基本符合实际情况，其精度满足要求，可用来模拟研究试验区的土壤动态变化。
2.3 枸杞林对次生盐渍化土壤有机碳变化的影响
研究区自2000年开始种植枸杞，土地类型发生了变化，自然植被转变成人工栽植经济作物，土壤有机碳随之发生了显著的变化（图3）。从次生盐碱裸地到开垦种植枸杞，再到枸杞成熟稳产共有3个阶段，分别是A、B、C阶段，每个阶段的土地耕作方式和农田管理模式均有所差异，导致了土壤活性、缓性、惰性和土壤总碳库均发生了显著的变化。
A阶段为次生盐碱地，也是模拟原始有机碳库处于平衡状态的阶段。这一阶段处于自然状态，土壤各碳库仅受到降雨、气温等自然因素的影响，变化小，基本处于稳定状态。 B阶段为枸杞幼苗生长期，也是各个碳库快速增加时期。从2000年开始种植枸杞，在第1年春季对次生盐碱地进行翻耕，施肥，栽植幼苗，之后进行农田管理。在4 a的时间里枸杞生长成熟，土壤活性、缓性、惰性和总有机碳库在这一时间段内均呈快速增加的态势（图3）。土壤活性碳的含量增幅最大，增幅相对于第1年超过130%，其次是土壤总碳>土壤缓性碳>土壤惰性碳，其增幅分别为15%、7%和0.3%。
C阶段为枸杞成熟稳产期，是各个碳库逐渐稳定降低阶段。在这一时期枸杞林产出枸杞，主要以经济效益为主。春季修剪枝条，促进新枝发育；从6月开始采摘果实，持续4个月。这些生物量均从枸杞林移除，这样就导致枯落物碳储量逐渐下降。活性碳较为敏感，下降幅度最大，2012～2014年下降速度趋缓，逐渐稳定，但是其值低于开垦前活性碳的含量。缓性碳和惰性碳在这个阶段继续积累增加后降低，但是累积速率相比B阶段降低，到2009～2010年达到最高值后开始缓慢下降。土壤有机碳含量逐渐减小，由2005年开始下降，到2013年土壤有机碳含量降至与开垦前次生盐碱地土壤有机碳含量相当（图3）。
2.4 成熟枸杞林未来土壤碳变化趋势的情景模拟
假设当前的枸杞林农田管理措施不变，运用1956～2012年的气象统计资料，输入相关参数对未来30 a枸杞林土壤碳的变化进行模拟。以2010年CENTURY模型输出结果为土壤有机碳的初始值，分析预测在当前的农田管理措施条件下枸杞林土壤有机碳的动态变化趋势。由图4可知，在未来15～20 a枸杞林的土壤有机碳库呈逐渐下降趋势，在未来30 a后土壤有机碳库已经趋于稳定。稳定状态下0～20 cm土壤有机碳含量平均约3 200 g/m2，相对2010年土壤有机碳含量降低了1.6%，相对枸杞种植前的次生盐碱地土壤有机碳含量降低了约5%。活性、缓性和惰性碳库均随之降低（图4）。各个碳库年内变化波动小，主要是受季节性的气温、降雨等变化影响，但是对整体变化趋势影响不大。由此可见，在当前的农田管理措施下枸杞林地极有可能从当前的有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。
3 讨论
土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入，其大小取决于凋落物输入量和土壤有机质的分解量[16]。在自然状态下植被土壤有机碳的积累不受人为因素的干扰，其初期积累较为快速，但是经过一段时间后，积累速率逐渐趋于缓和，最终达到一个相对稳定的状态。从图1的模拟结果来看，次生盐碱化土壤有机碳在模型运行1 600 a左右时基本达到或接近稳定，虽然有波动，但是这种波动是植被系统在气候环境因素正常“波动”条件下的一种稳定状态[6]，这种趋势在更长的时间尺度上将会表现的更明显。因此CENTURY模型在次生盐碱化土地有机碳模拟中相应参数值能够达到平衡状态，可以运用模拟其碳库的变化过程。
研究区枸杞林种植前是以盐爪爪为主的次生盐碱地，经过大规模的开垦、施肥、排盐等措施建成了枸杞林地，随着市场价格的逐渐升高，枸杞面积也逐年扩大。种植枸杞在产生经济效益的同时又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林对土壤有机碳的影响有两个阶段，即幼苗生长阶段和成熟稳定阶段（图3），从图中看出土壤活性炭和土壤总碳库变化曲线呈倒“V”型变化，而土壤缓性和惰性碳库增加趋势呈“S”型变化。对土地的开垦不仅会改变生态系统土壤有机碳的输出和输入，同时开垦导致的土壤温度和湿度的改善，也将极大地促进土壤的呼吸作用，加速表层土壤有机质的分解[6，17]。因此在枸杞生长B阶段土壤活性碳、缓性碳、惰性碳含量均呈快速增加的态势。植物生物量逐渐增加，土壤碳的累积速率也在不断增加。土壤总碳库在栽植4～5 a达到最大，超过自然状态下的总碳库，2004年枸杞林土壤总碳库比开垦前的含量增加了22%，表明这段时间枸杞林地土壤碳总体呈“碳汇”趋势。
在C阶段农田管理措施发生了变化。春季修剪枝条，除杂草，将一些长势弱的枸杞拔除，调整间距为2 m，地上生物量相应的减少。从6月份开始采摘果实，这样将一部分生物量移除，返回地表的枯落物减少，导致腐殖质含量降低，活性碳库随之减小[18]。为了保持甚至增加枸杞的产量，施用更多的化肥，平均施肥次数增至6～7次，同时灌水次数也由初期的3～4次增至6～7次（表2）。化肥的大量使用与有机肥料的缺乏，再加上腐殖质的减少，使得土壤结构和性状被逐渐的改变，土壤缓性碳和惰性碳在缓慢的积累之后迅速降低，土壤总碳库随之降低，土壤的碳汇功能也被大大降低或被逆转[19-20]。因此，CENTURY模型模拟结果表明在这一阶段土壤有机碳含量逐年降低，2013年土壤总碳库含量与开垦前土壤碳库含量相当。这与高寒草甸开垦并种植燕麦草地1～3 a土壤有机碳出现一个快速增加又降低的趋势相似[6]，也与在干旱区绿洲人工开发下种植小麦、玉米等作物土壤碳含量变化趋势相似[18]。
對成熟枸杞林土壤有机碳含量的变化进行预测分析表明，在当前的农田管理措施下，枸杞林地极有可能从有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。这种变化趋势与C阶段的变化是相一致的，这主要与当地农民为了使枸杞保持稳产、增产，达到较好的经济效益所采取的一些不当的农田管理措施有关。一是为了增加枸杞的产果量大量使用化肥，导致土壤板结，生物活性降低，土壤中的活性有机碳持续下降。二是采用大水漫灌，年均灌溉次数6～7次，导致土壤结构和性状发生变化。由于研究区地形为一浅层盆地，排水不畅，大量灌溉用水不能及时排出，导致该地区地下水位上升，反盐现象严重，造成土壤通透性降低，枸杞病虫害增加，根腐病明显，随着盐碱化程度的加重，土壤菌类数量及微生物总量呈现显著降低的趋势[21]，微生物活性也随之降低[22]。三是枝条修剪和果实采摘都是从地里移除生物量，导致了进入土壤中的腐殖质含量进一步减少，加重了土壤板结的程度。四是植株衰老枯死现象严重。种植8～10 a的枸杞已处于衰老阶段，根系病害多，导致土壤亚表层10～20 cm植物有机物质含量减少，植株枯死现象明显。这些原因均导致土壤有机碳含量持续减少，引起土壤有机碳库的下降。当前对枸杞林的农田措施和一些不合理的耕作方式决定了土壤有机碳的动态变化。 在未来10～20 a枸杞林的土壤有机碳库呈逐渐下降趋势，在未来30 a后土壤有机碳库将低于开垦前的次生盐碱地，其有机碳碳含量将降低约3%～5%。由此可见，在当前的农田管理措施下枸杞林地在未来30 a内极有可能从当前的有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。因此，改变农田管理方式、增加有机肥的投入、采用科学灌水设备、及时更新苗木等，对提高枸杞林土壤质量、增加土壤碳储量和减缓温室效应具有重要的现实意义。
4 结论
CENTURY 模型模拟结果显示，CENTURY模型适用于次生盐碱地土壤有机碳动态过程的模拟，模拟精度满足要求；次生盐碱地开垦种植枸杞后，土壤总有机碳经历了急速上升、快速下降和逐渐平稳的变化，土壤总有机碳呈先增后减的倒“V”型变化趋势。枸杞林土壤总有机碳在幼苗生长阶段呈“碳汇”趋势，在成熟阶段土壤总有机碳逐渐降低，当枸杞生长到12 a左右时，土壤总有机碳与开垦前相近。枸杞林地的农田耕作措施和管理方法决定了土壤有机碳的动态变化，在当前的农田管理措施下枸杞林地在未来20～30 a内极有可能逐渐转变为一个弱的碳排放源。该研究为次生盐碱地的开发、利用和科学管理提供了现实的科学依据，具有重要的指导意义。
参考文献
[1] 高鲁鹏，梁文举，姜勇，等.利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化I.自然状态下土壤有机碳的积累[J].应用生态学报，2004，15（5）：772-775.
[2] PAUSTIAN K.Modelling soil organic matter dynamicsglobal challenges[M]//REES R M，BA1L B C，CAMPBELL C D，et al.Sustainable management of soil organic matter.CABI，Oxon，2000：43-53.
[3] PATTON W J，MCKEOWN B，KIRCHNER V，et al.Century user’s manual[M].Natural Resource Ecology Laboratory Colorado State University.Fort Collins，1992.
[4] PARTON W J，SCHIMEL D S，OJIMA D S.Observation and modeling of biomass and soil organic matter dynamics for the grassland biome worldwide[J].Global Biogeochemical Cycles，1993，7（4）：785-809.
[5] 吕新苗，郑度.气候变化对长江源地区高寒草甸生态系统的影响[J].长江流域资源与环境，2006，15（5）：603-607.
[6] 李东.基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有机碳动态模拟研究[D].南京：南京农业大学，2011.
[7] MIKHAILOVA E A，BRYANT R B，DEGLORIA S D，et al.Modeling soil organic matter dynamics after conversion of native grassland to longterm continuous fallow using the CENTURY model[J].Ecological Modeling，2000，132（3）：247-257.
[8] KIRSEHBAUM M U F，PAUL K I.Modelling C and N dynamics in forest soils with a modified of the CENTURY model[J].Soil Biology and Biochemistry，2002，34（3）：341-354.
[9] BURKER I C，YOUKR C M，PARTON W J.Texture，climate，and cultivation effects on soil organic matter content in US grassland soils[J].Soil Society of America Journal，1985，53：800-805.
[10] 邢大伟.西北地区灌溉的生态环境及对策研[J].生态农业研究，1996，4（3）：22-26.
[11] 高志海.引黄灌区农田盐碱化与沙漠化治理的综合途径——以甘肃省景泰川为例[J].关注，2008（5）：9-14.
[12] 徐向宏，王婷婷，雷文文.景电灌区绿洲综合生态系统管理耦合技术评价分析[J].草业科学，2010，27（6）：38-44.
[13] 孙涛，王耀琳，马全林，等.景电灌区次生盐碱地枸杞林经济效益分析[J].草业科学，2013，30（9）：1454-1458.
[14] 高崇升，杨国亭，王建国，等.CENTURY 模型在农田生态系统中的应用及其参数确定[J].农业系统科学与综合研究，2006，22（1）：50-52.
[15] 高崇升，杨国亭，王建国，等.移耕农业制度下黑土农田土壤有机碳的演变[J].农业系统科学与综合研究，2008，24（1）：88-92.
[16] 迟光宇，王俊，陈欣，等.三江平原不同土地利用方式下土壤有机碳的动态变化[J].土壤，2006，38（6）：755-758.
[17] JOHNA B，YAMASHITAC T，LUDWIGB B，et al.Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use[J].Geoderma，2005，128：63-79.
[18] 许文强，陈曦，罗格平，等.基于CENTURY模型研究干旱区人工绿洲开发与管理模式变化对土壤碳动态的影响[J].生态学报，2010，30（14）：3707-3716.
[19] 李月梅，曹广民，徐仁海.土地利用方式对高寒草甸土壤有机碳及其组分的影响[J].安徽农业科学，2008，36（14）：5951-5953.
[20] 李月梅，曹广民，王跃思，等.开垦对海北高寒草甸土壤有机碳的影响[J].生态学杂志，2006，25（8）：911-914.
[21] 李凤霞，王学琴，郭永忠，等.寧夏不同类型盐渍化土壤微生物区系及多样性[J].水土保持学报，2011（5）：66-68.
[22] 陈辰，王靖，潘学标，等.CENTURY模型在内蒙古草地生态系统的适用性评价[J].草地学报，2012，20（6）：1012-1019.
关键词 次生盐碱地；枸杞；模拟；土壤有机碳；CENTURY模型
中图分类号 S156.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）13-202-05
Abstract Wolfberry forest， which grows in typical secondary salinealkali land in Hongyue village， Jingtai， was selected as the representative area to analyze dynamics of soil carbon in the top layer of 0～20cm soil during period of wolfberry growth. Based on the simulation of CENTURY model， the results showed that reclamation secondary salinealkali land to plant wolfberry made a significant change in total soil organic. It increased at first and decreased secondly， just like the inverted “V.” The soil organic carbon of wolfberry forest increased rapidly in seeding growth stage（1-4 years） after secondary salinealkali land reclamation. It showed as a trend of carbon sink and then declined gradually to the level of land before reclamation during mature stage（8-12 years）. The measurements of farmland， the method for cultivation played a key role in change of soil organic carbon. The wolfberry forest is likely to be a weak source of carbon emissions in the next 20 to 30 years under the current farmland conditions. Therefore， it is practically significant to change farmland management， increase organic fertilizer input， adopt scientific irrigation equipments， and replace the old seedlings， etc. Thus， it will improve the quality of wolfberry forest soil， increase soil carbon reservation， and reduce the greenhouse effects.
Key words Secondary salinealkali land； Wolfberry forest； Simulation； Soil organic carbon； CENTURY model
土壤有机质模型能够模拟土壤有机质的变化规律，已被广泛用于模拟土壤有机质的动态变化。土壤有机质模拟已经在当前大量的有关气候变化和全球碳循环研究中起到了重要的作用[1-2]，成为更好地理解和管理陆地碳循环的一个重要组成部分。CENTURY模型是应用比较广泛的表征土壤有机质动态的模型。CENTURY模型是美国科罗拉多州立大学的Parton等（1974）于20世纪80年代末建立的，起初用于模拟草地生态系统的C、N、P、S等元素的长期演变过程，以后加以改进，其应用扩展到稀树草原、森林、农业等生态系统中。它主要基于土壤的结构功能，从C、N、P的生物地球化学循环因子入手，结合温度、降水等驱动因子，对生态系统的生产力进行模拟和预测[3-4]。国内外众多学者先后将CENTURY模型应用于农业或林业生态系统中，并对土壤有机碳进行了模拟，其模拟值与实测值具有极高的相关性，并可用于不同的农林业生态系统的模拟研究中[5-9]。
引水灌溉对荒漠、半荒漠区域的农业发展起到了重要的推动作用，但是在不适当的灌溉排水条件下造成了灌区土壤次生盐碱化等生态退化问题[10]。甘肃景泰川灌区由于多年来不合理的大水漫灌、串灌等原因，使得景泰川这个半封闭型盆地的地下水位迅速上升，导致土地次生盐碱化面积逐年增大，土地退化问题尤为严重[11]，给农业生产和人民生活造成严重影响。
从20世纪90年代中期开始，当地根据实际情况采取生物措施对次生盐碱地进行治理，引进枸杞并种植成功，现在已经在景泰川地区大面积的推广种植开来，不光产生了经济效益，也充分地利用和改良了盐碱地。土壤在次生盐渍化过程中，水盐动态平衡被打破，土壤结构改变，土质下降，引起土壤生态退化。在枸杞种植过程中土壤性质会发生变化，对土壤质地会产生一定的影响，进而土壤有机碳也发生相应的变化，但是，其特征变化和演变趋势并不清楚，其变化趨势对土壤质地和区域环境的影响也不清楚，运用模型拟合研究并对土壤碳变化作出分析预测是一个较好的研究方法。因此，利用CENTURY 模型模拟在次生盐渍化改良过程中土壤有机碳的变化特征，研究当前种植枸杞对次生盐碱地的改良作用和土壤碳的动态变化，预测在当前的农业种植模式下土壤碳演变趋势，为次生盐碱地土壤质量、健康评价以及生态治理提供科学依据。 1 材料与方法
1.1 研究区自然概况
红跃村地处景泰县中部，景电一期引黄提灌灌区中心地带，县城以北8 km处，位于景泰县草窝滩镇以东3 km，地势由西南向东北倾斜的微型盆地，海拔1 565 m。气候干燥、干旱少雨、风沙大，年均降水量185 mm，降水年际变化不大，雨水集中在7～9月，年蒸发量3 040 mm，年均气温8.5 ℃，雨热同期，地表水资源较为贫乏，地下水资源矿化度高、水质差。20世纪70～80年代建成的景电一、二期高扬程电力引黄提灌工程是该区主要的水资源[12]。全村现有耕地面积330.7 hm2，约80%的农田耕地为次生盐碱化土地。自2000年以来，该村开始推广引种耐盐碱的经济树种枸杞，取得了良好的经济和生态效益[13]。
1.2 样品采集与分析
应用模型前要经过校正与验证，调整模型参数，反复检验模拟结果，检验模拟值与观测值之间的吻合程度，达到最好的模拟效果。基于调试后的参数，再通过对比分析其他年份的模拟与观测结果进行模型的模拟研究与验证平衡[1，14]。
于2012年、2013年7月中旬进行野外枸杞林地调查采样。采用空间代替时间的方法，分别选择4年生、7年生、12年生枸杞林地采集土样，选择临近的次生盐碱化土地作为对照。土壤采样深度为0～20、20～40 cm，每个地块3次重复。同时，用环刀法取土壤容重，铝盒装少量新鲜土壤用于土壤水分测定。土样带回实验室风干后测定土壤有机质、有机碳、pH、盐分等指标。土壤粒度采用激光粒度分析仪测定。
1.3 CENTURY模型的参数化设置
根据土壤有机质的分解速率，CENTURY模型将土壤总有机碳（TOC）分成了3个碳库，分别是活性、慢性和惰性土壤有机碳库[1，3]。该研究采用CENTURY4.0版本，初始输入数据包括基本的气象数据、土壤质地等（表1）。
模型所运用的1955～2012年气象数据由景泰县气象站提供，由于研究区距离县城10 km，地势平坦，因此可以将此数据直接作为研究區的数据进行模拟运行。CENTURY模型在运行调试过程中需要先设定主要的植被参数，包括植物生长的开始月份、 衰老月份、休眠月份，该研究采用模型中自带的荒漠草地的模拟情景对数据进行设定。在模型运行中部分参数应用模型提供的缺省值。
枸杞在生长过程中所需的农田管理措施是不同的，为了掌握枸杞林的生产和经营方式，在进行野外观测的同时采用农户基线调查方法，在红跃村随机抽取典型农户30户进行访谈式调查，调查内容包括枸杞种植前期土地的基本情况、不同林龄枸杞生长过程中土壤处理、施肥、灌溉等农田管理措施，以及果实收获、处理等近10项内容。
根据当地土地次生盐碱化和人工种植枸杞林的情况，将模型分为A、B、C 3个阶段。阶段A为0～2000年，此时段为模型建立平衡状态的过程，通过参数调整将模型调整到与次生盐碱地相平衡的状态；阶段B、C为种植枸杞时段，其中B是1～4年生枸杞幼苗生长阶段，不修剪，不产出果实，在模拟时不涉及到收获，C是枸杞生长成熟时期，此阶段枸杞生长稳定，每年要进行枝条修剪，枸杞果实量大并进行采摘。为了维持良好的产果量，增加灌水次数，并施用大量的化肥。因此，这两个时段在模拟的过程中对应有不同的农业管理措施（表2）。
2 结果与分析
2.1 模型参数初始化设置及稳态的建立
用CENTURY模型模拟研究土壤变化时首先要进行模型参数的初始化，在参数平衡状态下才能进行真正的模拟运算[1-2]。主要是模拟研究区在自然状态下土壤活性碳库（SOM1C（2））、慢性碳库（SOM2C）、惰性碳库（SOM3C）及土壤总碳库（SOMTC，包含结构性C库和代谢性C库）逐渐积累到稳定平衡阶段。CENTURY模型模拟研究区土壤活性、慢性、惰性有机碳库和总有机碳库从无积累到稳定状态的变化所需时间约为1960 a（图1）。当继续运行到2000 a时，土壤各碳库建立了平衡，达到了试验区土壤碳的水平。此时，活性、慢性和惰性有机碳库分别占总有机碳库的3.28%、68.67%和28.05%。从图1中土壤有机碳的年际变化可看出，土壤总碳库和缓性有机碳库年际变化较大，惰性有机碳库变化稳定，曲线平滑，活性有机碳库年际变化敏感，但是其值较小，所占比例小。研究地为次生盐碱地，植被以盐生植物盐爪爪为主，盖度为8%～15%。2 000 a开垦种植枸杞，未开垦的土地土壤有机碳含量为3 424.67 g/m2，而CENTURY模型在平衡状态下模拟的土壤总有机碳含量为3 386.39 g/m2，两者相差很小，说明CENTURY模型准确模拟了研究区土壤有机碳的动态积累过程。
2.2 模型模拟值与实测值的有效性验证
模型的可靠性测定通常采用多种方法，每种测定方法均有其独到之处[15]。采用均差法测定模拟值与实测值的拟合程度。以0 a（次生盐碱裸地）、4 a、7 a、12 a枸杞林土壤有机碳实测数据与模型模拟数据进行验证。由图2可知，土壤实测值与模拟值具有较好的拟合性，R2达0.947，统计分析t=1.32，双尾检验概率P=0.27>0.05，模拟值与实测值之间差异不显著，说明运用CENTURY模型来模拟次生盐渍化土地有机碳的动态变化基本符合实际情况，其精度满足要求，可用来模拟研究试验区的土壤动态变化。
2.3 枸杞林对次生盐渍化土壤有机碳变化的影响
研究区自2000年开始种植枸杞，土地类型发生了变化，自然植被转变成人工栽植经济作物，土壤有机碳随之发生了显著的变化（图3）。从次生盐碱裸地到开垦种植枸杞，再到枸杞成熟稳产共有3个阶段，分别是A、B、C阶段，每个阶段的土地耕作方式和农田管理模式均有所差异，导致了土壤活性、缓性、惰性和土壤总碳库均发生了显著的变化。
A阶段为次生盐碱地，也是模拟原始有机碳库处于平衡状态的阶段。这一阶段处于自然状态，土壤各碳库仅受到降雨、气温等自然因素的影响，变化小，基本处于稳定状态。 B阶段为枸杞幼苗生长期，也是各个碳库快速增加时期。从2000年开始种植枸杞，在第1年春季对次生盐碱地进行翻耕，施肥，栽植幼苗，之后进行农田管理。在4 a的时间里枸杞生长成熟，土壤活性、缓性、惰性和总有机碳库在这一时间段内均呈快速增加的态势（图3）。土壤活性碳的含量增幅最大，增幅相对于第1年超过130%，其次是土壤总碳>土壤缓性碳>土壤惰性碳，其增幅分别为15%、7%和0.3%。
C阶段为枸杞成熟稳产期，是各个碳库逐渐稳定降低阶段。在这一时期枸杞林产出枸杞，主要以经济效益为主。春季修剪枝条，促进新枝发育；从6月开始采摘果实，持续4个月。这些生物量均从枸杞林移除，这样就导致枯落物碳储量逐渐下降。活性碳较为敏感，下降幅度最大，2012～2014年下降速度趋缓，逐渐稳定，但是其值低于开垦前活性碳的含量。缓性碳和惰性碳在这个阶段继续积累增加后降低，但是累积速率相比B阶段降低，到2009～2010年达到最高值后开始缓慢下降。土壤有机碳含量逐渐减小，由2005年开始下降，到2013年土壤有机碳含量降至与开垦前次生盐碱地土壤有机碳含量相当（图3）。
2.4 成熟枸杞林未来土壤碳变化趋势的情景模拟
假设当前的枸杞林农田管理措施不变，运用1956～2012年的气象统计资料，输入相关参数对未来30 a枸杞林土壤碳的变化进行模拟。以2010年CENTURY模型输出结果为土壤有机碳的初始值，分析预测在当前的农田管理措施条件下枸杞林土壤有机碳的动态变化趋势。由图4可知，在未来15～20 a枸杞林的土壤有机碳库呈逐渐下降趋势，在未来30 a后土壤有机碳库已经趋于稳定。稳定状态下0～20 cm土壤有机碳含量平均约3 200 g/m2，相对2010年土壤有机碳含量降低了1.6%，相对枸杞种植前的次生盐碱地土壤有机碳含量降低了约5%。活性、缓性和惰性碳库均随之降低（图4）。各个碳库年内变化波动小，主要是受季节性的气温、降雨等变化影响，但是对整体变化趋势影响不大。由此可见，在当前的农田管理措施下枸杞林地极有可能从当前的有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。
3 讨论
土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入，其大小取决于凋落物输入量和土壤有机质的分解量[16]。在自然状态下植被土壤有机碳的积累不受人为因素的干扰，其初期积累较为快速，但是经过一段时间后，积累速率逐渐趋于缓和，最终达到一个相对稳定的状态。从图1的模拟结果来看，次生盐碱化土壤有机碳在模型运行1 600 a左右时基本达到或接近稳定，虽然有波动，但是这种波动是植被系统在气候环境因素正常“波动”条件下的一种稳定状态[6]，这种趋势在更长的时间尺度上将会表现的更明显。因此CENTURY模型在次生盐碱化土地有机碳模拟中相应参数值能够达到平衡状态，可以运用模拟其碳库的变化过程。
研究区枸杞林种植前是以盐爪爪为主的次生盐碱地，经过大规模的开垦、施肥、排盐等措施建成了枸杞林地，随着市场价格的逐渐升高，枸杞面积也逐年扩大。种植枸杞在产生经济效益的同时又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林对土壤有机碳的影响有两个阶段，即幼苗生长阶段和成熟稳定阶段（图3），从图中看出土壤活性炭和土壤总碳库变化曲线呈倒“V”型变化，而土壤缓性和惰性碳库增加趋势呈“S”型变化。对土地的开垦不仅会改变生态系统土壤有机碳的输出和输入，同时开垦导致的土壤温度和湿度的改善，也将极大地促进土壤的呼吸作用，加速表层土壤有机质的分解[6，17]。因此在枸杞生长B阶段土壤活性碳、缓性碳、惰性碳含量均呈快速增加的态势。植物生物量逐渐增加，土壤碳的累积速率也在不断增加。土壤总碳库在栽植4～5 a达到最大，超过自然状态下的总碳库，2004年枸杞林土壤总碳库比开垦前的含量增加了22%，表明这段时间枸杞林地土壤碳总体呈“碳汇”趋势。
在C阶段农田管理措施发生了变化。春季修剪枝条，除杂草，将一些长势弱的枸杞拔除，调整间距为2 m，地上生物量相应的减少。从6月份开始采摘果实，这样将一部分生物量移除，返回地表的枯落物减少，导致腐殖质含量降低，活性碳库随之减小[18]。为了保持甚至增加枸杞的产量，施用更多的化肥，平均施肥次数增至6～7次，同时灌水次数也由初期的3～4次增至6～7次（表2）。化肥的大量使用与有机肥料的缺乏，再加上腐殖质的减少，使得土壤结构和性状被逐渐的改变，土壤缓性碳和惰性碳在缓慢的积累之后迅速降低，土壤总碳库随之降低，土壤的碳汇功能也被大大降低或被逆转[19-20]。因此，CENTURY模型模拟结果表明在这一阶段土壤有机碳含量逐年降低，2013年土壤总碳库含量与开垦前土壤碳库含量相当。这与高寒草甸开垦并种植燕麦草地1～3 a土壤有机碳出现一个快速增加又降低的趋势相似[6]，也与在干旱区绿洲人工开发下种植小麦、玉米等作物土壤碳含量变化趋势相似[18]。
對成熟枸杞林土壤有机碳含量的变化进行预测分析表明，在当前的农田管理措施下，枸杞林地极有可能从有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。这种变化趋势与C阶段的变化是相一致的，这主要与当地农民为了使枸杞保持稳产、增产，达到较好的经济效益所采取的一些不当的农田管理措施有关。一是为了增加枸杞的产果量大量使用化肥，导致土壤板结，生物活性降低，土壤中的活性有机碳持续下降。二是采用大水漫灌，年均灌溉次数6～7次，导致土壤结构和性状发生变化。由于研究区地形为一浅层盆地，排水不畅，大量灌溉用水不能及时排出，导致该地区地下水位上升，反盐现象严重，造成土壤通透性降低，枸杞病虫害增加，根腐病明显，随着盐碱化程度的加重，土壤菌类数量及微生物总量呈现显著降低的趋势[21]，微生物活性也随之降低[22]。三是枝条修剪和果实采摘都是从地里移除生物量，导致了进入土壤中的腐殖质含量进一步减少，加重了土壤板结的程度。四是植株衰老枯死现象严重。种植8～10 a的枸杞已处于衰老阶段，根系病害多，导致土壤亚表层10～20 cm植物有机物质含量减少，植株枯死现象明显。这些原因均导致土壤有机碳含量持续减少，引起土壤有机碳库的下降。当前对枸杞林的农田措施和一些不合理的耕作方式决定了土壤有机碳的动态变化。 在未来10～20 a枸杞林的土壤有机碳库呈逐渐下降趋势，在未来30 a后土壤有机碳库将低于开垦前的次生盐碱地，其有机碳碳含量将降低约3%～5%。由此可见，在当前的农田管理措施下枸杞林地在未来30 a内极有可能从当前的有机碳库逐渐转变为一个弱的碳排放源。因此，改变农田管理方式、增加有机肥的投入、采用科学灌水设备、及时更新苗木等，对提高枸杞林土壤质量、增加土壤碳储量和减缓温室效应具有重要的现实意义。
4 结论
CENTURY 模型模拟结果显示，CENTURY模型适用于次生盐碱地土壤有机碳动态过程的模拟，模拟精度满足要求；次生盐碱地开垦种植枸杞后，土壤总有机碳经历了急速上升、快速下降和逐渐平稳的变化，土壤总有机碳呈先增后减的倒“V”型变化趋势。枸杞林土壤总有机碳在幼苗生长阶段呈“碳汇”趋势，在成熟阶段土壤总有机碳逐渐降低，当枸杞生长到12 a左右时，土壤总有机碳与开垦前相近。枸杞林地的农田耕作措施和管理方法决定了土壤有机碳的动态变化，在当前的农田管理措施下枸杞林地在未来20～30 a内极有可能逐渐转变为一个弱的碳排放源。该研究为次生盐碱地的开发、利用和科学管理提供了现实的科学依据，具有重要的指导意义。
参考文献
[1] 高鲁鹏，梁文举，姜勇，等.利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化I.自然状态下土壤有机碳的积累[J].应用生态学报，2004，15（5）：772-775.
[2] PAUSTIAN K.Modelling soil organic matter dynamicsglobal challenges[M]//REES R M，BA1L B C，CAMPBELL C D，et al.Sustainable management of soil organic matter.CABI，Oxon，2000：43-53.
[3] PATTON W J，MCKEOWN B，KIRCHNER V，et al.Century user’s manual[M].Natural Resource Ecology Laboratory Colorado State University.Fort Collins，1992.
[4] PARTON W J，SCHIMEL D S，OJIMA D S.Observation and modeling of biomass and soil organic matter dynamics for the grassland biome worldwide[J].Global Biogeochemical Cycles，1993，7（4）：785-809.
[5] 吕新苗，郑度.气候变化对长江源地区高寒草甸生态系统的影响[J].长江流域资源与环境，2006，15（5）：603-607.
[6] 李东.基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有机碳动态模拟研究[D].南京：南京农业大学，2011.
[7] MIKHAILOVA E A，BRYANT R B，DEGLORIA S D，et al.Modeling soil organic matter dynamics after conversion of native grassland to longterm continuous fallow using the CENTURY model[J].Ecological Modeling，2000，132（3）：247-257.
[8] KIRSEHBAUM M U F，PAUL K I.Modelling C and N dynamics in forest soils with a modified of the CENTURY model[J].Soil Biology and Biochemistry，2002，34（3）：341-354.
[9] BURKER I C，YOUKR C M，PARTON W J.Texture，climate，and cultivation effects on soil organic matter content in US grassland soils[J].Soil Society of America Journal，1985，53：800-805.
[10] 邢大伟.西北地区灌溉的生态环境及对策研[J].生态农业研究，1996，4（3）：22-26.
[11] 高志海.引黄灌区农田盐碱化与沙漠化治理的综合途径——以甘肃省景泰川为例[J].关注，2008（5）：9-14.
[12] 徐向宏，王婷婷，雷文文.景电灌区绿洲综合生态系统管理耦合技术评价分析[J].草业科学，2010，27（6）：38-44.
[13] 孙涛，王耀琳，马全林，等.景电灌区次生盐碱地枸杞林经济效益分析[J].草业科学，2013，30（9）：1454-1458.
[14] 高崇升，杨国亭，王建国，等.CENTURY 模型在农田生态系统中的应用及其参数确定[J].农业系统科学与综合研究，2006，22（1）：50-52.
[15] 高崇升，杨国亭，王建国，等.移耕农业制度下黑土农田土壤有机碳的演变[J].农业系统科学与综合研究，2008，24（1）：88-92.
[16] 迟光宇，王俊，陈欣，等.三江平原不同土地利用方式下土壤有机碳的动态变化[J].土壤，2006，38（6）：755-758.
[17] JOHNA B，YAMASHITAC T，LUDWIGB B，et al.Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use[J].Geoderma，2005，128：63-79.
[18] 许文强，陈曦，罗格平，等.基于CENTURY模型研究干旱区人工绿洲开发与管理模式变化对土壤碳动态的影响[J].生态学报，2010，30（14）：3707-3716.
[19] 李月梅，曹广民，徐仁海.土地利用方式对高寒草甸土壤有机碳及其组分的影响[J].安徽农业科学，2008，36（14）：5951-5953.
[20] 李月梅，曹广民，王跃思，等.开垦对海北高寒草甸土壤有机碳的影响[J].生态学杂志，2006，25（8）：911-914.
[21] 李凤霞，王学琴，郭永忠，等.寧夏不同类型盐渍化土壤微生物区系及多样性[J].水土保持学报，2011（5）：66-68.
[22] 陈辰，王靖，潘学标，等.CENTURY模型在内蒙古草地生态系统的适用性评价[J].草地学报，2012，20（6）：1012-1019.